木薯收获机挖掘铲的受力分析与优化

李宝灵，何　兵，刘旭红，宋世柳，陈定军

(1.广西科技大学 机械工程学院，广西 柳州　545006；2.广西水力机械研究所，广西 柳州　545005)



木薯收获机挖掘铲的受力分析与优化

李宝灵1，何兵2，刘旭红1，宋世柳1，陈定军1

(1.广西科技大学 机械工程学院，广西 柳州545006；2.广西水力机械研究所，广西 柳州545005)

摘要：挖掘铲的受力情况直接影响挖掘机的工作效果及寿命，挖掘铲面角度是影响挖掘铲受力的主要因素。为此，对木薯收获机挖掘铲在达到挖掘深度进行挖掘木薯的过程进行受力分析，并利用ANSYS软件对铲面角度进行优化，得出在一定的挖掘深度下受力最小的大铲面和小铲面的最佳角度，为挖掘铲的结构优化设计提供理论依据。

关键词：木薯收获机； 挖掘铲；应力；有限元分析

0引言

挖掘铲是木薯收获机的重要组成部分，是收获机的主要部件之一。挖掘铲所受到的阻力大小和其结构有很大关系，如果能对其结构进行优化使其受到土壤的阻力减小，那么木薯收获机的性能将有显著的提升。因此，对挖掘铲进行静力分析和优化设计具有重要意义。

本文在一定工况条件对挖掘铲进行受力分析，利用ANSYS软件对铲面角度进行优化，为挖掘铲的优化设计提供理论依据。

1木薯收获机挖掘铲受力分析

木薯收获机的工作可以分成两个部分：一是机器入土到达预定土壤深度；二是在土壤中前行进行收获。第1部分在整个收获过程中所占的时间比较小，且在此过程中受到的阻力会随着挖掘铲铲面与土壤的接触的面积变化而变化。因此，本文只对木薯收获机在土壤中进行收获时进行分析。在此过程中，挖掘铲铲面受到来自土壤的阻力、摩擦力、重力，以及来自拖拉机的牵引力、自身的重力和挖掘铲底面的摩擦力。其中，牵引力和重力是挖掘铲整体受到的力，故单独计算；而底面的摩擦力不管铲面的倾角怎么变化都不变，对于优化铲面角度没有影响，可以省略。

在土壤中收获木薯时，挖掘铲所处的土壤深度基本不变，挖掘铲铲面始终全部覆盖着土壤，在不碰到碎石和杂草的情况下受力情况基本不变。因此，将压在挖掘铲铲面的土壤看成一个整体，以挖掘铲为受力分析的目标，取挖掘铲在土壤中行进过程的一个瞬间进行受力分析，如图1所示。

图1　挖掘铲受力分析图

受力分析为

Pcosα-T-Gsinα=0

R-Gcosα-Psinα=0

P=Gtg(α+φ)=SLρgtg(α+φ)

式中P—为沿着挖掘铲倔起物所需要的力(N)；

R—为铲对土壤的反作用力(N)；

G—为铲面上土壤的重力(N)；

α—为铲倾角(°)；

μ—土壤对铲的摩擦系数，μ=tgφ；

φ—土壤对铲刃的摩擦角(°)；

T——铲对土壤的摩擦力(N)；

L— 铲的长度(m)；

S—土壤的沉切面积，即挖掘深度和铲宽的乘积(m2)；

ρ—土壤的密度(kg/m3)。

由于适合种植木薯的土壤种类繁多，现选择适合种植木薯的其中一种土壤对铲进行受力分析。选择沙壤土，从手册查得沙壤土的摩擦因数f为0.25～0.35，挖掘深度为30～40cm，分析时挖掘深度取40cm，土壤密度取9.65g/cm3。

2挖掘铲的有限元分析

2.1　定义材料属性

木薯收获机挖掘铲采用材料为Q235A，密度为7 860kg/m3，弹性模量E为2.0×1 05N/m2，泊松比为0.3。

2.2　建模及网格划分

利用UG进行建模，再将模型导入到ANSYS软件的work bench模块进行分析。划分网格时采用体单元，单元形状选择四面体；精细度调整到100，划分级别为中等，网格尺寸设置为5mm。

2.3　施加载荷和约束

因为挖掘铲是焊接在木薯收获机上的，结合工作的实际情况可以判断出其约束情况：挖掘铲的左表面、右表面及后表面都属于固定约束，X、Y、Z都不能运动。

1)计算载荷。中间铲面倾角改变，其所受的阻力和摩擦力也会改变。由于铲面倾角的理论取值范围为15°～24°，所以从16°开始计算，计算结果如表1所示，中间铲面的力不随小铲面的倾角的改变而变化。

表1　中间铲面各角度受力情况

小铲面倾角改变会引起其阻力和土壤的摩擦力的变化，摩擦力为两个小铲面的摩擦力之和，各角度计算结果如表2所示。

表2　小铲面各角度受力情况

续表2

2)各力加载位置对于挖掘铲本身重力的施加可以给实体施加一个与重力相反的加速度来实现。土壤的重力和来自土壤的摩擦力主要施加在挖掘铲铲面上，来自土壤的阻力主要由挖掘铲前端的7个小犁头承受。图2是各力施加位置图。

图2　各力施加位置

2.4　挖掘铲的角度优化

本次优化的目的在于利用ANSYS软件的优化模块，通过改变木薯收获机挖掘铲的倾角来减少木薯收获机挖掘铲的阻力。由于本次优化目的简单、精度不高，所以采用零阶算法。

由于ANSYS的优化1次只能优化1个目标，所以先优化中间铲面，再在中间铲面最优角度下优化两边铲面。按照计算载荷和施加载荷位置进行静力分析。

3结果与分析

3.1　分析

表3为中间铲面静力分析结果。为了更直观地表示分析结果，将表3的数据制作成挖掘铲的倾角与应变、变形，最大应力关系如图3所示 。

表3　中间铲面静力分析结果

图3　中间铲面倾角与应力，应变、变形关系图

由表3和图3数据分析可知：当挖掘铲中间铲面倾角在19°时应变和最大应力最小，16°时变形最小。综合各项因素，19°最符合优化要求。由于中间铲面为阻力和摩擦力的主要承受部位，所以在中间铲面最优角度下可以继续优化两边的小铲面。在中间铲面19°时改变小铲面的倾角进行分析并比较。小铲面分析结果如表4所示。根据表4结果数据画出小铲面角度与应力、应变图如图4所示。

表4　小铲面分析结果

图4　小铲面角度与应力、应变、变形图

从图4可看出：随着小铲面倾角的改变，变形不明显；倾角为42°时应变和最大应力都最小，符合最优条件。

3.2 　ANSYS分析结果部分示意图

图5为挖掘铲中间铲面倾角19°、小铲面倾角43°时的ANSYS分析结果图，图6为变形图。

图5　ANSYS分析结果图

图6　变形图

4结论

1)由分析得出：木薯收获机挖掘铲在中间铲面为19°，两边铲面(小铲面)为42°时受力最小，为最优角度，设计最佳角度应在42°～43°之间；与实际样机试验结果基本一致。

2)通过ANSYS静力分析的结果可以看出：中间破土位置受力较大，支撑板的位置应该靠近中间位置。

3)有限元分析软件为产品优化设计与分析提供了快捷有效的途径，通过分析可准确快速得出产品的应力和变形情况，为产品的优化设计提供理论依据。

4)应用有限元分析软件，可以对小犁头的形状进行改善，小犁头安装的位置也可以进行调整。

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Force Analysis and Optimization of Digging Shovel of Cassava Harvester

Li Baoling1，He Bing2，Liu Xuhong1，Song Shiliu1，Chen Dinjun1

(1.College of Mechanical Engineering，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China；2.Guangxi Institute of Hydraulic Machinery，Liuzhou 545005，China)

Abstract：Load condition of a digging shovel directly affects its performance and working life, and what mainly impacts on a digging shovel’s load condition is the angle of shovel surface. In this paper, we conduct a force analysis on the process of reaching the digging depth and digging cassavas, then optimize the digging angle using ANSYS. In this way, we obtain the best angle of both big and small shovel surface in minimal load condition at the specific digging depth. This work provides the theoretical base for structural optimum design of digging shovels.

Key words：cassava harvester; digging shovel; stress; Finite Element Analysis

中图分类号：S225.7；TP319

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)08-0064-04

作者简介：李宝灵(1962-),女(壮族)，广西靖西人，教授，硕士，(E-mail) libl62@126.com。

基金项目：科技部科技人员服务企业行动项目(2009GJE10033)；广西教育厅教改项目(2013JGB198)

收稿日期：2015-07-09